多孔Cr-TiO2/P3HT異質(zhì)結(jié)薄膜的制備及光伏特性研究

　　采用溶膠-凝膠法，利用聚乙二醇2000(PEG 2000) ，成功制備了多孔Cr摻雜TiO2(Cr-TiO2) 納米薄膜，并實現(xiàn)了PEG 2000 含量對Cr-TiO2薄膜多孔結(jié)構(gòu)及其光透射特性的有效調(diào)制。對基于該多孔Cr-TiO2納米薄膜組裝的Cr-TiO2 /P3HT 異質(zhì)結(jié)光伏特性的研究結(jié)果表明，隨PEG 2000含量的增加，Cr-TiO2薄膜微孔孔徑及分布密度的增大有利于提高Cr-TiO2/P3HT異質(zhì)結(jié)光伏器件的光電轉(zhuǎn)換效率。討論了PEG 2000對Cr-TiO2薄膜結(jié)構(gòu)及Cr-TiO2/P3HT 異質(zhì)結(jié)光伏特性的調(diào)制機理。實驗結(jié)果為無機-有機聚合物異質(zhì)結(jié)光伏器件的研究提供了基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù)。

1、引言

　　進入21世紀，能源問題已日益成為制約國際社會經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸，合理開發(fā)和利用太陽能資源對緩解能源危機、推動社會發(fā)展有著重大的現(xiàn)實意義。太陽能電池是能夠?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)換為電能的器件。目前，雖然所開發(fā)的聚合物太陽能電池效率仍普遍較低，且性能還不穩(wěn)定，但具有質(zhì)量輕、可利用廉價大面積制備技術(shù)( 如旋轉(zhuǎn)涂膜、噴墨打印等) 制成柔性好、成本低的特種形狀器件并可望實現(xiàn)全塑化等優(yōu)點，聚合物陽能電池已成為光伏研究中最為活躍的領(lǐng)域之一。由無機半導(dǎo)體和聚合物材料組成的無機-有機異質(zhì)結(jié)聚合物太陽能電池是當前該領(lǐng)域的研究熱點之一。寬禁帶半導(dǎo)體TiO2，是該類聚合物電池常用的電子受體材料，許多研究工作已通過陽極氧化法、水熱法和靜電紡絲等方法設(shè)計制備了各種形貌結(jié)構(gòu)的TiO2材料，如納米管、納米球和納米纖維等，并在聚合物太陽能電池中的應(yīng)用和光伏特性研究方面取得了大量有益的研究成果。然而，寬帶隙的TiO2只能有效吸收紫外光，而對占太陽光譜總能量約45%的可見光幾乎不響應(yīng)，這嚴重制約了該類聚合物光伏器件光電轉(zhuǎn)換效率的進一步提高。對此，選用適當?shù)臒o機元素對TiO2進行摻雜改性是拓展其對可見光譜響應(yīng)范圍的有效途徑，常用的摻雜劑有過渡金屬、貴金屬、稀土元素，以及N、C、F、S等非金屬元素。其中，選擇金屬Cr 做摻雜劑，能夠很好的改善TiO2的可見光譜響應(yīng)特性，目前已有研究工作將Cr 摻雜的TiO2應(yīng)用于光催化領(lǐng)域并取得了較好的研究成果。

　　在已有研究工作的基礎(chǔ)上，采用簡便的溶膠-凝膠法，通過在溶膠中加入不同量的PEG 2000，制備了形貌結(jié)構(gòu)與光透射特性同時可控的多孔Cr 摻雜TiO2納米薄膜，并作為電子受主材料，與作為電子施主材料的共軛聚合物聚3-己基噻吩(P3HT)結(jié)合，制備了Cr-TiO2/P3HT 無機-有機聚合物異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，細致研究了該結(jié)構(gòu)的光電轉(zhuǎn)換特性及其與Cr-TiO2薄膜結(jié)構(gòu)間的相關(guān)性。在研究工作中，相比致密Cr-TiO2膜，在溶膠中添加2.5%wt.(WPEG 2000/Cr) 的PEG 2000，可將基于多孔Cr-TiO2/P3HT異質(zhì)結(jié)光伏器件的光電轉(zhuǎn)換效率提高26%。該研究結(jié)果對拓展基于摻雜TiO2的無機-有機光電器件的應(yīng)用研究是非常有益的。

2、樣品制備與表征

2.1、多孔Cr摻雜TiO2納米薄膜的制備

　　多孔Cr 摻雜TiO2(Cr-TiO2)納米薄膜的制備采用溶膠-凝膠法。首先，將17.2 ml的鈦酸四丁脂逐滴加入68ml乙醇并攪拌30min，得到溶液A。將4.8 ml 乙二醇胺、0.9 ml 去離子水和10ml Cr( NO3)3·9H2O 的乙醇溶液(4%wt.) 均勻混合，制得溶液B。再將溶液B 逐滴混合至溶液A 并攪拌1h 后，加入一定量的聚乙二醇( PEG 2000) ，制備得到質(zhì)量百分比( WPEG /Cr) 分別為0、0.5、1.5 和2.5% wt. 的系列Cr-TiO2溶膠。而后，將上述Cr-TiO2溶膠分別旋涂( 4000 r/min) 在清洗干凈的FTO 導(dǎo)電玻璃基底上，室溫干燥后置于馬弗爐中，500℃退火2. 5h 后，即可得到多孔結(jié)構(gòu)的Cr-TiO2納米薄膜。

2.2 FTO/Cr-TiO2/P3HT/Cu異質(zhì)結(jié)光伏器件的制備

　　采用20mg /ml 的P3HT 甲苯溶液，旋涂在多孔FTO/Cr-TiO2薄膜上制備厚度約100 nm 的P3HT 聚合物膜，干燥后在氬氣氛( ～120Pa) 中180 ℃退火1.5 h，使玻璃態(tài)溫度下呈液態(tài)的P3HT 在多孔Cr-TiO2膜中充分浸潤，并與Cr-TiO2形成良好的界面接觸。最后，在FTO/Cr-TiO2/P3HT 膜上蒸鍍金屬Cu 電極，制備得到FTO/Cr-TiO2/P3HT /Cu 異質(zhì)結(jié)薄膜結(jié)構(gòu)的聚合物光伏器件。

2.3、樣品的形貌與性能表征

　　用場發(fā)射掃描電鏡( FE-SEM，JSM-6701F，Japan) 表征了多孔Cr-TiO2納米薄膜的形貌結(jié)構(gòu); 用X 射線光電子能譜( XPS，PHI-5702) 分析了薄膜的元素組成; 用紫外-可見-近紅外分光光度計( vis-NIR，Perkin Elmer Lambda 900 spectrometer)測試了多孔Cr-TiO2納米薄膜的光透射特性; 用半導(dǎo)體器件測試系統(tǒng)(Keithley 4200) 研究了光伏器件的光電轉(zhuǎn)換特性。

4、結(jié)論

　　采用溶膠-凝膠法，通過在溶膠中加入PEG 2 000，制出了具有多孔結(jié)構(gòu)的Cr 摻雜TiO2( Cr-TiO2) 納米薄膜，并通過改變?nèi)苣z中PEG 2000 的含量實現(xiàn)了對Cr-TiO2薄膜多孔結(jié)構(gòu)及其光透射特性的有效調(diào)制.基于系列多孔Cr-TiO2納米薄膜，組裝并研究了Cr-TiO2 /P3HT 異質(zhì)結(jié)聚合物光伏器件的光電轉(zhuǎn)換特性，結(jié)果表明，隨PEG 2000 含量的增加而增大的Cr-TiO2薄膜微孔孔徑及分布密度對于提高器件的短路電流密度進而改善其光電轉(zhuǎn)換效率十分有益，這歸因于多孔的薄膜結(jié)構(gòu)能夠增大Cr-TiO2 /P3HT 異質(zhì)結(jié)界面，同時其強的光散射效應(yīng)有助于提高Cr-TiO2 /P3HT 對入射光子的利用率。用實驗研究結(jié)果能夠為無機-有機聚合物異質(zhì)結(jié)光伏器件的研究提供了基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù)，具有一定的實際意義。